第三章 四天線置於無線網路卡前端之應用
3.2 整合四天線於無線網路卡前端之應用
3.2.1 使用四同向饋入（架構（ａ））的 MIMO 天線系統
上ㄧ節已經介紹過 3 種天線實現的架構，這裡我們要討論使用第一種架構的 天線，這架構主要是四支同向饋入的天線構成。這裡我們列舉2 支天線說明，第
一個天線系統是由四支單極天線所構成，圖3.2.1 為此天線系統的結構圖，面積 為48mm×24mm，佔用的面積很小，天線 1 和天線 4 維持方形環狀單極天線，天 線2 和天線 3 為 T 形天線，天線 1 和天線 4 在第二章已經介紹過，T 形天線主要 設計是利用兩條不同的電流路徑造成共振，以達到雙頻的效果，圖3.2.2（a）為 模擬和量測的反射損耗圖，圖3.2.2（b）和圖 3.2.2（c）為模擬和量測的信號干 擾量圖，可以看到天線最高的耦合量約為-7dB，信號干擾量高是因為天線 2 輻射 時接地金屬上的電流路徑太短，感應電流流到天線3 附近，天線 1 和天線 2 距離 很近，且此設計在5GHz 的頻段匹配上，T 形天線的頻寬較差無法滿足設計的需 求。
antenna1 antenna2 antenna3
antenna4
X
Y
24mm
48mm
1 2
4 3
圖 3.2.1 使用架構（a）四單極天線系統結構圖 Return loss
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Frequency (GHz) -30
-25 -20 -15 -10 -5 0
dB
Measured S11 Measured S22
Simulated S11 Simulated S22 Measured S11
Measured S22
Simulated S11 Simulated S22
(a)
圖3.2.2 模擬和量測的反射損耗和信號干擾量圖 (a)反射損耗圖, (b) 信號干擾量 圖1, (c) 信號干擾量圖 2
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Frequency (GHz) -40
Measured S12 Measured S13 Measured S14
Simulated S12 Simulated S13 Simulated S14 Measured S12
Measured S13 Measured S14
Simulated S12 Simulated S13 Simulated S14
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Frequency (GHz) -40
Measured S23 Measured S24 Measured S34
Simulated S23 Simulated S24 Simulated S34 Measured S23
Measured S24 Measured S34
Simulated S23 Simulated S24 Simulated S34
(c)
圖 3.2.3 到 3.2.8 為量測的輻射場形圖，可以看到天線 2 和天線 3 在 2.4GHz 皆有增益太低的問題，天線設計為T 形是為了增加橫向電流，讓輻射場型更接 近全向性，但在5GHz 的頻段再 XY 平面和 XZ 平面輻射場型的互補效果不錯，
表3-3 到表 3-4 為量測的場型數據。
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
45
90
135
180 225
270 315
-30 -20 -10 0
-35 -25 -15 -5 5
0
45
90
135
180 225
270 315
-30 -20 -10 0
-35 -25 -15 -5 5
0
45
90
135
180 225
270 315
-30 -20 -10 0
-35 -25 -15 -5 5
圖3.2.3 天線 1 於 2.44GHz 量測的輻射場型（a）XY 平面（b）YZ 平面（c）XZ 平面
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
-2.36dBi 峰值增益：
4.15dBi
平均增益：
-4.05dBi 峰值增益：
2.24dBi
平均增益：
-1.82dBi 峰值增益：
1.75dBi YZ 平面 平均增益：
-2.79dBi 峰值增益：
0.68dBi
平均增益：
-1.12dBi 峰值增益：
2.84dBi
平均增益：
-3.56dBi 峰值增益：
-0.28dBi XZ 平面 平均增益：
-0.95dBi 峰值增益：
3.33dBi
平均增益：
-2.52dBi 峰值增益：
1.49dBi
平均增益：
0.23dBi 峰值增益：
4.12dBi
表3-4 架構（a）天線系統（1）在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：
天線2
2.44GHz 5GHz 5.8GHz
XY 平面 平均增益：
-4.72dBi 峰值增益：
0.109dBi
平均增益：
-2.57dBi 峰值增益：
1.46dBi
平均增益：
-5.19dBi 峰值增益：
-0.28dBi YZ 平面 平均增益：
-4.24dBi 峰值增益：
-1.47dBi
平均增益：
-4.49dBi 峰值增益：
-0.54dBi
平均增益：
-2.94dBi 峰值增益：
-0.66dBi XZ 平面 平均增益：
-4.21dBi 峰值增益：
-2.81dBi
平均增益：
-1.04dBi 峰值增益：
1.54dBi
平均增益：
-3.08dBi 峰值增益：
-0.37dBi
接下來要介紹使用 2 支方形環狀天線和 2 支單極天線耦合方形共振環天線的
圖3.2.9 使用架構（a）2 支方形環狀天線和 2 支單極天線耦合方形共振環天線 結構圖
antenna1 antenna2 antenna3
antenna4
X
Y
25mm
48mm
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Frequency (GHz)
Return loss
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Measured S11 Measured S22 Measured S33 Measured S44
(a)
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 Frequency (GHz)
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
(dB)
(b)
Measured S12 Measured S13 Measured S14
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Frequency (GHz) -40
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
(dB)
(c)
Measured S23 Measured S24 Measured S34
圖3.2.10 2 支方形環狀天線和 2 支單極天線耦合方形共振環天線系統量測的（a）
反射損耗圖（b）信號干擾量圖 1（c）信號干擾量圖 2
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
X
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
Y
Total gain Gain phi Gain thetaXY-plane
YZ-plane XZ-plane
0
表3-5 架構（a）天線系統（2）在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：
天線1
2.44GHz 5.2GHz
XY 平面 平均增益：-2.26dBi 峰值增益：3.65dBi
平均增益：-2.63dBi 峰值增益：4.12dBi YZ 平面 平均增益：-3.38dBi
峰值增益：-0.14dBi
平均增益：-1.53dBi 峰值增益：1.63dBi XZ 平面 平均增益：-0.75dBi
峰值增益：3.52dBi
平均增益：-0.48dBi 峰值增益：4.97dBi
表3-6 架構（a）天線系統（2）在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：
天線2
2.44GHz 5.2GHz
XY 平面 平均增益：-4.91dBi 峰值增益：-1.89dBi
平均增益：-3.87dBi 峰值增益：1.11dBi YZ 平面 平均增益：-5.8dBi
峰值增益：-3.38dBi
平均增益：-2.81dBi 峰值增益：1.31dBi XZ 平面 平均增益：-6.36dBi
峰值增益：-4.88dBi
平均增益：-0.46dBi 峰值增益：2.18dBi
表3-7 架構（a）天線系統（2）在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：天 線3
2.44GHz 5.2GHz
XY 平面 平均增益：-4.7dBi 峰值增益：-0.78dBi
平均增益：-3.75dBi 峰值增益：0.12dBi YZ 平面 平均增益：-5.53dBi
峰值增益：-3.21dBi
平均增益：-2.88dBi 峰值增益：1.62dBi XZ 平面 平均增益：-5.08dBi
峰值增益：-2.82dBi
平均增益：-1.87dBi 峰值增益：0.47dBi
表3-8 架構（a）天線系統（2）在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：天 線4
2.44GHz 5.2GHz
XY 平面 平均增益：-2.33dBi 峰值增益：2.78dBi
平均增益：-2.13dBi 峰值增益：3.21dBi YZ 平面 平均增益：-3.74dBi
峰值增益：0.08dBi
平均增益：-2.36dBi 峰值增益：0.92dBi XZ 平面 平均增益：-1.21dBi
峰值增益：3.59dBi
平均增益：-2.96dBi 峰值增益：0.93dBi